一、電弧現象1．電弧是一種能量集中、溫度很高、亮度很強的放電現象。如10kV少油斷路器開(kāi)斷20kA的電流時(shí)，電弧功率高達10000kW以上，造成電弧及其附近區域的介質(zhì)及其強烈的物理化學(xué)變化，可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長(cháng)期不滅，將會(huì )引起電器被燒毀甚至爆炸，危機電力系統的安全運行，造成重大損失。所以，切斷電路時(shí)，必須盡快熄滅電弧。2．電弧是導體。開(kāi)關(guān)電器的觸頭雖然已經(jīng)分開(kāi)，但是觸頭間如有電弧存在，電路就還沒(méi)有斷開(kāi)，電流仍然存在。3．電弧是一種自持放電現象，即電弧一旦形成，維持電弧穩定燃燒所需的電壓很低。如，大氣中1cm長(cháng)的直流電弧的弧柱電壓只有15－30V，在干式變壓器油中也不過(guò)100－200V。4．電弧是一束游離氣體，質(zhì)量很輕，容易變形，在外力作用下（如氣體、液體的流動(dòng)或電動(dòng)力作用）會(huì )迅速移動(dòng)、伸長(cháng)或彎曲，對敞露在大氣中的電弧尤為明顯。如，在大氣中開(kāi)斷交流110kV、5A的電流時(shí)，電弧長(cháng)度超過(guò)7m。電弧移動(dòng)速度可達每秒幾十米至幾百米。二、電弧的產(chǎn)生與維持1．強電場(chǎng)發(fā)射開(kāi)關(guān)電器的觸頭分離時(shí)，動(dòng)靜觸頭間的壓力不斷下降，接觸面積減小，因而接觸電阻增大，溫度劇升。另一方面，觸頭開(kāi)始分離時(shí)，觸頭間距很小，即使電壓很低，只有幾百伏甚至幾十伏，但是電場(chǎng)強度卻很大。由于上述原因，陰極表面可能向外發(fā)射電子，這種現象稱(chēng)為強電場(chǎng)發(fā)射。2．熱電子發(fā)射    觸頭是由金屬材料制成的，在常溫下，金屬內部就存在大量的自由電子，當開(kāi)關(guān)開(kāi)斷電路時(shí)，在觸頭分離的瞬間，由于大電流被切斷，在陰極上出現強烈的熾熱點(diǎn)，從而有電子從陰極表面向四周發(fā)射，這種現象稱(chēng)為熱電子發(fā)射。發(fā)射電子的多少與陰極材料及表面溫度有關(guān)。3．碰撞游離從陰極表面發(fā)射出來(lái)的電子，在電場(chǎng)力的作用下向陽(yáng)極作加速運動(dòng)。并不斷與中性質(zhì)點(diǎn)碰撞，如果電場(chǎng)足夠強，電子所受的力足夠大，且兩次碰撞間的自由行程足夠大，電子積累的能量足夠多，則發(fā)生碰撞時(shí)就可能使中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生游離，產(chǎn)生新的自由電子和正離子，這種現象稱(chēng)為碰撞游離。新產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)中作加速運動(dòng)又可能與中性質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞而產(chǎn)生碰撞游離。結果使觸頭間充滿(mǎn)大量自由電子和正離子。使觸頭間電阻很小，在外加電壓作用下，帶電粒子作定向運動(dòng)形成電流，使介質(zhì)擊穿而形成電弧。4．熱游離處于高溫下的中性質(zhì)點(diǎn)由于高溫而產(chǎn)生強烈的熱運動(dòng)。相互碰撞的結果而發(fā)生的游離稱(chēng)為熱游離。作用：維持電弧的燃燒。一般氣體發(fā)生熱游離的溫度為9000～10000℃，而金屬蒸汽約為4000～5000℃。因為電弧中總有一些金屬蒸汽，而弧柱溫度在5000℃以上，所以，熱游離足以維持電弧的燃燒。三、電弧的去游離去游離：在電弧中，介質(zhì)因游離而產(chǎn)生大量帶電粒子的同時(shí)，還會(huì )發(fā)生帶電粒子消失的相反過(guò)程，稱(chēng)為去游離。1.復合：異號帶電粒子相互吸引而中和成中性質(zhì)點(diǎn)的現象。 在電弧中，電子的運動(dòng)速度遠大于正離子，所以電子與正離子直接復合的可能性很小，復合是借助于中性質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行的，即電子在運動(dòng)過(guò)程中，先附著(zhù)在中性質(zhì)點(diǎn)上，形成負離子，然后質(zhì)量和運動(dòng)速度大致相等的正、負離子復合成中性質(zhì)點(diǎn)。既然復合過(guò)程只有在離子運動(dòng)的相對速度不大時(shí)才有可能，若利用液體或氣體吹弧，或將電弧擠入絕緣冷壁做成的狹縫中，都能迅速冷卻電弧，減小離子的運動(dòng)速度，加強復合過(guò)程，此外增加氣體壓力，使氣體密度增加，也是加強復合過(guò)程的措施。2．擴散：弧柱內帶電粒子逸出弧柱以外進(jìn)入周?chē)橘|(zhì)的一種現象。擴散是由于帶電粒子不規則的運行，以及電弧內帶電粒子的密度大于電弧外，電弧中的溫度遠高于周?chē)橘|(zhì)的溫度造成的。電弧和周?chē)橘|(zhì)溫差愈大，以及帶電粒子密度差越大，擴散作用愈強。在高壓斷路器中，常采用氣體吹弧，帶走大量帶電粒子，以加強擴散作用，擴散出來(lái)的正負離子，因冷卻而加強復合，成為中性質(zhì)點(diǎn)。若游離作用大于去游離作用，則電弧電流增大，電弧愈加強烈燃燒；若游離作用等于去游離作用，則電弧電流不變，電弧穩定燃燒；若游離作用小于去游離作用，則電弧電流減小，電弧較終熄滅。所以，要熄滅電弧，必須采取措施加強去游離作用而削弱游離作用。四、電弧特性1．電弧電壓沿弧長(cháng)的分布電弧形成后，電弧電壓沿弧長(cháng)的分布可分為三個(gè)部分。如圖4－1所示，電弧電壓降由陰極電壓降U1、弧柱電壓降U2、陽(yáng)極電壓降U3三部分組成，即電弧電壓Uh＝U1＋U2＋U3。2．電弧按照電壓分布的分類(lèi)（1）長(cháng)?。弘姌O間距離長(cháng)，陰極和陽(yáng)極電壓降可以忽略不計。（2）短?。弘姌O間距離短，弧柱電壓忽略不計。3．電弧的伏安特性（1）直流電弧的伏安特性曲線(xiàn)1是在電流變化很慢，曲線(xiàn)上每一點(diǎn)的游離與去游離都達到平衡，電弧處于穩定燃燒的狀態(tài)，故稱(chēng)為靜態(tài)特性。曲線(xiàn)2為電流很快從a點(diǎn)增加的曲線(xiàn)。曲線(xiàn)3為電流很快從b點(diǎn)減小的曲線(xiàn)。（2）交流電弧的伏安特性在交流電路中，電流的瞬時(shí)值不斷地隨時(shí)間變化，因此電弧的特性應是動(dòng)態(tài)特性，并且交流電流每半個(gè)周期經(jīng)過(guò)一次零值。電流過(guò)零值時(shí)，電弧自動(dòng)熄滅。如果電弧是穩定燃燒的，則電弧電流過(guò)零熄滅后，在另半周又會(huì )重新燃燒。五、直流電弧的熄滅方法 1. 增大回路電阻2. 將長(cháng)電弧分割為多個(gè)短電弧3. 增大電弧長(cháng)度4. 使電弧與耐弧度絕緣材料緊密接觸六、交流電弧的熄滅條件1．弧隙介質(zhì)強度的恢復過(guò)程2．弧隙電壓的恢復過(guò)程3．交流電弧的熄滅條件 ud(t)>ur(t)（一）弧隙介質(zhì)強度的恢復1．弧隙介質(zhì)強度的恢復過(guò)程在電弧電流過(guò)零之前，弧隙中的空間充滿(mǎn)了電子和正離子。當電弧電流流過(guò)零熄滅后，電極極性發(fā)生改變，弧隙中的電子迅速奔向新陽(yáng)極，比電子質(zhì)量大一千多倍的正離子，相對電子而言則基本未動(dòng)，所以在新陰極附近形成正空間電荷。2．電流過(guò)零后電荷和電壓沿短弧隙的分布情況。如圖所示，電壓主要降落在陰極附近的薄層空間。此薄層空間的耐壓約為150～250V的介質(zhì)強度。近陰極效應：陰極附近電介質(zhì)強度出現突然升高的現象。（二）、弧隙電壓的恢復弧隙電壓的恢復過(guò)程，即恢復電壓的變化過(guò)程，與電路參數、負荷性質(zhì)有關(guān)。熄滅交流電弧的基本方法1．采用滅弧能力強的滅弧介質(zhì)2．利用氣體或油吹弧3．采用特殊的金屬材料作滅弧介質(zhì)4．采用多斷口熄弧5．提高斷路器觸頭的分離速度6．低壓開(kāi)關(guān)的滅弧方法（1）利用金屬滅弧柵滅?。?）利用固體介質(zhì)狹縫滅?。?）干式變壓器油:干式變壓器油在電弧高溫的作用下，分解出大量氫氣和油蒸汽，氫氣的絕緣和滅弧能力是空氣的7.5倍。（2）壓縮空氣：壓力：2MPa，分子密度大，質(zhì)點(diǎn)的自由行程小，不易發(fā)生游離。（3）SF6氣體：良好的負電性氣體，氟原子吸附電子能力很強，能迅速捕捉自由電子形成負離子，對復合有利。 （4）真空：真空氣體壓力低于133.3×10－4Pa，氣體稀薄，弧隙中的自由電子和中性質(zhì)點(diǎn)都很少，碰撞游離的可能性大大減少，而且弧柱內與弧柱外帶電粒子的濃度差和溫差都很大，有利于擴散。其絕緣能力比干式變壓器油、1個(gè)大氣壓下的SF6 、空氣都大。高壓斷路器中利用各種預先設計好的滅弧室，使氣體或油在電弧高溫下產(chǎn)生巨大壓力，并利用噴口形成強烈吹弧。即起到對流換熱、強烈冷卻弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游離氣體或高溫氣體的作用。電弧被拉長(cháng)、冷卻變細，復合加強，同時(shí)吹弧也有利于擴散，較終使電弧熄滅。常有的觸頭材料有銅、鎢合金和銀、鎢合金等，在電弧高溫作用下不易熔化和蒸發(fā)，有較高的抗電弧、抗熔焊能力，可以減少熱電子發(fā)射和金屬蒸汽，抑制游離的作用。采用多斷口串聯(lián)，可把電弧分割成多段，在相同的觸頭行程下電弧拉長(cháng)速度和長(cháng)度比單斷口大，從而弧隙電阻增大，同時(shí)加在每個(gè)斷口上的電壓降低，使弧隙恢復電壓降低，因而有利于滅弧。加快斷路器的觸頭分離速度可以迅速拉長(cháng)電弧，使弧隙的電場(chǎng)強度驟降，同時(shí)使電弧的表面積突然增大，有利于電弧的冷卻及帶電質(zhì)點(diǎn)的擴散和復合，從而加速電弧的熄滅。    滅弧柵由許多帶缺口的鋼片制成，當斷開(kāi)電路時(shí)，動(dòng)、靜觸頭間產(chǎn)生電弧，磁通對電弧產(chǎn)生一個(gè)向上的電磁力，將電弧拉入滅弧柵片，從而將電弧分割成一串短電弧。根據近陰極效應，當電流過(guò)零時(shí)，每個(gè)短電弧的陰極都會(huì )出現150～250V的介質(zhì)強度，如果其總和超過(guò)觸頭間的電壓，則電弧熄滅。滅弧柵由耐高溫的絕緣材料制成，有多種形式，圖中為較簡(jiǎn)單的直縫式，磁吹線(xiàn)圈與電路串聯(lián)或并聯(lián)。當觸頭斷開(kāi)而產(chǎn)生電弧后，在磁吹線(xiàn)圈磁場(chǎng)的作用下，對電弧產(chǎn)生電動(dòng)力，將電弧拉入滅弧片的狹縫中。狹縫限制了電弧直徑，增加了弧隙壓力，同時(shí)電弧被拉長(cháng)，并與滅弧片冷壁緊密接觸，加強冷卻作用，加強電弧內的復合過(guò)程，較終使電弧熄滅。

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